WO2007085343A1 - Verfahren zum herstellen von seriell verschalteten solarzellen sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum herstellen von seriell verschalteten solarzellen sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2007085343A1
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deposition
wire
deposition chamber
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PCT/EP2007/000052
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Rainer Merz
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Universität Stuttgart
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing series-connected solar cells, the method comprising the step of introducing a substrate into at least one deposition chamber and the deposition of at least one material layer on the substrate or an already applied material layer in the deposition chamber.
  • Thin-film solar cells in particular, but not exclusively, based on amorphous silicon, consist of a number of individual layers, namely a substrate and a back contact layer applied thereto, an active layer, including any buffer layers or other necessary layers and a front contact layer.
  • the individual layers are, after the application of the respective layer, if necessary, for example laser or mechanically patterned to obtain a division into individual layers, and then the next layer is applied.
  • the subsequent history must then also be structured. In this way, a sequential process for structuring results for each deposited layer.
  • the structuring processes have various disadvantages.
  • the structuring by means of mechanical scribing can lead to chip formation and cracks in the layer.
  • Protruding chips may possibly form a resistance to the cell, or short circuits may occur between the front and back contacts.
  • a fusion of the individual layers may occur due to the heat effect.
  • These merging leads to the cut edges to shorts or shunt resistors between the front and back contact layer.
  • the abovementioned processes are only of limited suitability for the production in a continuous or quasi-continuous process.
  • the individual layers must be structured before the deposition of the subsequent layer.
  • the deposition sequence is interrupted, there is a risk that the individual layers on the surface react with the ambient air.
  • the invention solves this problem by a generic method in which in the deposition chamber, the substrate is applied to a curved in the direction of a deposition support surface, wherein the substrate is under mechanical prestressing or curved according to the support surface and structuring of the applied layer by means of tensioned wires takes place, which abut with a defined force against the applied to the curved support surface substrate and shade the already applied material layers or the substrate and thus structure the applied material layer.
  • the substrate is z. B. is a flexible substrate, which bears against a curved plane which is curved in the direction of a separator. Against this curved support surface between substrate and
  • Separating device are at the same time the wires, with a defined force can be applied to the substrate on the strained wires, which are in contact with the curved support surface, while a secure support over a given
  • the curved surface is preferably designed symmetrically to a central axis and is arranged in particular in the deposition area.
  • the substrate may already be bulged according to the curvature of the support surface.
  • z. B. also metal substrates are used.
  • the wires can thereby run in the buckling direction, and this is particularly preferred. In stationary methods, however, the wires can also have any other direction, which is between 0 ° and 90 ° to the direction of curvature.
  • a corresponding solar cell receives good electrical, optical and mechanical properties. Parallel resistances between front and back contact can not arise. The emergence of transverse resistances between the back contacts of the individual cells counteract the frictional forces of the shading wires on the substrate.
  • the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method can be used to deposit the layers.
  • the method can be operated stationary, but also continuously or quasi-continuously.
  • the direction of movement of the substrate is at the same time the pulling direction of the tensioned wires. This automatically aligns the wires in the desired manner.
  • a continuous or quasi-continuous process also offers the advantage that only one-dimensional layer differences occur due to the continuous movement of the substrate through the deposition chamber. These can only arise over the width, ie transversely to the pulling direction. In the direction of pull, no layer differences occur at constant deposition parameters.
  • the structuring steps that follow the growth phase of the thin film can be omitted.
  • the width of the possible solar cells to be produced depends on the width of the coating system.
  • the length of the possible substrates to be coated is not limited by the system.
  • the deposition chambers can be adapted to the layer to be applied in terms of their dimensions.
  • the wire is guided over a tensioning device and, in particular during the continuous process control, is moved in or against the direction of movement of the substrate.
  • the covering of the wires with the deposited material which occurs in the deposition zone the Availability of the wire not limited. If the wires are unwound against the substrate movement, then permanent new wire is available on the layer to be deposited.
  • the wire can then be processed mechanically or chemically, for example, in an etching bath or plasma cleaning for recycling.
  • the substrate is guided and tensioned over roller guides.
  • roller guides can be done very easy a good deflection and simultaneous tension of a flexible material.
  • such methods are basically known in the prior art, wherein a winding and unwinding of the initial substrate and the finished coated substrate can be carried out with continuous process control on winding rollers.
  • the wire is stretched over a corresponding roller guide.
  • a plurality of deposition chambers are arranged one after the other, wherein the substrate passes through the deposition chambers one after the other and a layer is deposited on the substrate or on an underlying layer in each deposition chamber. It can be provided that all or only one of the further deposition chambers are provided with a corresponding structuring device. Such inline processes are particularly favorable in the production.
  • the individual layers can be structured directly during production and deposited on top of each other in an inline process. It can be provided that the shading wires are arranged offset in the individual chambers to the already generated Abschattungslinien, to enable a series connection. The offset always takes place in the same direction.
  • a substrate in particular a film and a textile material can be used.
  • wire metal wires but also other plastic or textile fibers, carbon fibers, etc. may be used, with such materials are particularly preferred on which the materials to be deposited do not adhere.
  • the layers to be deposited are, in particular, a front and a back contact layer as well as an intermediate active layer, which may be formed in particular from an n-layer, an i-layer and a p-layer.
  • the active layer may consist of silicon, but also cadmium telluride, CIS, CIGS, etc.
  • the invention further comprises a device for carrying out the method of the above type, comprising at least one deposition chamber, wherein a coating device is arranged in the deposition chamber and a structuring unit comprising at least wire for structuring a material layer to be deposited on a substrate in the deposition chamber, wherein in the deposition chamber one towards the
  • Coating device curved support surface wherein the substrate is a standing under mechanical bias flexible or according to the support surface arched substrate, and the substrate can be placed on the support surface and the wire with a defined force at an angle of> 0 ° and ⁇ 90 ° to a Buckling direction of the support surface against the substrate can be applied.
  • FIG. 1 shows a layer sequence of two integrated interconnected thin-film solar cells
  • Figure 2 shows a device according to the invention
  • FIG. 3 shows an apparatus and a method for the continuous production of flexible thin-film solar modules.
  • Figure 1 shows a structure of an integrated interconnected solar cell comprising a substantially four-layered structure.
  • the basis of the solar cell is in this case a flexible substrate layer 1, which may be formed for example from a film or textile material.
  • a so-called back contact layer is first deposited, which is preferably three-layered and wherein the layer sequence can be chromium / aluminum / zinc oxide. Instead of zinc oxide, it is also possible to use tin oxide or ITO.
  • the back contact layer must in this case be designed so that it is not continuously applied to the substrate, but that the back contact layers 2a and 2b of the various solar cells 10a and 10b, which are to be interconnected, are separated from each other.
  • an active layer is now applied, in particular from Silicon may be formed, and pn layers and optionally comprises insulating layers. The individual layers can also be applied separately.
  • the active layer 3a or 3b of the various solar cell modules must also be separated from each other.
  • the active layer 3a and 3b may not cover the entire back contact layer. In the region in which the back contact layer 2 b faces the back contact layer 2 a, in order to enable later contacting by means of a front contact 4 a, this must be uncovered by the active layer 3 b.
  • the front contact layer 4a is applied, which bridges the distance between the cells, which is formed by the structuring between the back contacts but also the active layers, and overlaps with the back contact layer 2b of the next cell to a serial interconnection of the solar cells 10a and 10b to allow.
  • the front contact layer 4 is transparent and preferably consists of zinc oxide (ZnO), tin dioxide (Sn 2 O) or ITO.
  • the structuring of the back contact layer 2 must take place before the deposition of the active layer 3, since the active layer 3 simultaneously serves to separate and isolate the back contact 2a from the front contact 4a, with the active layer 3 in the region 3i to extends to the substrate 1 in order to achieve a mutual isolation of the two contact layers 2, 4 against each other.
  • FIG. 2 now shows a corresponding method in a so-called roll-to-roll process.
  • the flexible substrate 1 is provided on a supply reel IIa as shown in Fig. 3 and introduced from this unwinding roller IIa into a first deposition chamber 12a.
  • This first chamber which is shown enlarged in FIG. 2, serves to deposit the back contact layer 2.
  • the substrate 1 becomes It is biased via rollers 13a and 13b and stretched and guided over a convexly curved in the direction of a separating device 14a support surface 15a.
  • layer material for the back layer 2 is applied to the substrate 1.
  • FIG. 2 In order to carry out the required structuring of the backing layer already shown in FIG.
  • a corresponding number of wires 21 are provided corresponding to the number of solar cells 10 to be provided transversely to the transport direction 17, which make the shading and thus separate the back contact layers 2 of the individual solar cells 10 from each other.
  • rollers 19 are provided which make the same a deflection and tension of the wire 21 and a winding, since the wire is transported against the transport direction 17 in the direction of the arrow 20 to always in the To provide deposition zone fresh wire 21 on which there are no material deposits by the application of material to the substrate 1. Once the wire 21 is consumed, new wire 21 can be provided and the old wire 21 can be fed for cleaning and recycling.
  • FIG. 3 now shows a complete process for coating a substrate 1 provided by a supply reel IIa and passing through a total of five chambers 12a to 12e and thereafter on a take-up roll IIb is wound up again.
  • the take-up roller IIb are then fully integrated with each other integrated solar cells 10 before.
  • the substrate 1 is tensioned and guided via rollers 13a, which is arranged in front of the deposition zone, and 13b, which is arranged after the deposition zone.
  • Other rollers 13c may be provided for the deflection between the individual chambers.
  • the entire process is a closed process that takes place in the absence of ambient air.
  • a separator 14a to 14e is provided, wherein in the first deposition chamber 12a, a back contact layer in the second deposition chamber an n-layer, in the third chamber an i-layer and in the fourth chamber a p-layer is applied.
  • the fifth chamber serves to apply the front contact layer.
  • structuring is provided in each of the chambers 12.
  • the Abschattungsdrumblete 21 must be arranged offset after the deposition of the back contact 2 in comparison to those which are provided after the deposition of the semiconductor layers 3, so as to ensure the isolation of the back contact layer 2 by means of the active layers 3 with respect to the front contact layer 4 and after applying the front contact layer 4 to ensure that there is no contact of the front contact layer 4a of a solar cell 10a with the front contact layer 4b of the next solar cell 10b.
  • Only the shading wires 21 during application of the three layers forming the active layer in the deposition chambers 12b to 12d extend substantially without offset from each other. However, it may also be provided here a slight offset to each other.
  • the offset between the individual deposition chambers 12 takes place in each case in the same direction, since in this way the series connection is achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen von seriell verschalteten Solarzellen, wobei das Verfahren folgende Schritte umf asst : Einbringen eines Substrates in mindestens eine Abscheidekammer, Abscheiden von mindestens einer Materialschicht auf das Substrat oder eine bereits aufgebrachte Materialschicht in der Abscheidekammer, wobei in der Abscheidekammer das Substrat auf eine in Richtung einer Abscheideeinrichtung gewölbte Auflagefläche aufgebracht wird, wobei das Substrat flexibel ist und unter mechanischer Vorspannung steht oder entsprechend der Auflagefläche gewölbt ist und eine Strukturierung der aufgebrachten Schicht mittels mindestens eines gespannten Drahtes erfolgt, der mit einer definierten Kraft gegen das auf die gewölbte Auflagefläche aufgebrachte Substrat anliegt und die aufgebrachte Materialschicht oder das Substrat gegenüber der Abscheideeinrichtung abschattet und so. die aufzubringende Materialschicht strukturiert.

Description

Titel : Verfahren zum Herstellen von seriell verschalteten Solarzellen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von seriell verschalteten Solarzellen, wobei das Verfahren den Schritt des Einbringens eines Substrates in mindestens eine Abscheidekammer sowie das Abscheiden von mindestens einer Materialschicht auf das Substrat oder eine bereits aufgebrachte Materialschicht in der Abscheidekammer umfasst.
Dünnschichtsolarzellen, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf der Basis von amorphem Silizium, bestehen aus einer Reihe von Einzelschichten, nämlich einem Substrat sowie einer hierauf aufgebrachten Rückkontaktschicht, einer aktiven Schicht, inklusive eventueller Pufferschichten oder anderer notwendiger Schichten und einer Frontkontaktschicht. Die Einzelschichten werden nach dem Aufbringen der jeweiligen Schicht, sofern dies erforderlich ist, beispielsweise mittels Laser oder mechanisch strukturiert, um eine Unterteilung in einzelne Schichten zu erhalten, und im Anschluss wird die nächste Schicht aufgebracht. Die Folgeschicht muss dann ebenfalls strukturiert werden. Auf diese Weise ergibt sich für jede abgeschiedene Schicht ein Folgeprozess zur Strukturierung.
Neben dem benötigten zusätzlichen Verfahrensaufwand besitzen die Strukturierungsprozesse verschiedenste Nachteile. So kann die Strukturierung mittels mechanischen Ritzens zur Spanbildung und Rissen in der Schicht führen. Abstehende Späne können gegebenenfalls einen Widerstand zur Zelle bilden oder es kann zu Kurzschlüssen zwischen dem Front- und Rückkontakt kommen. Bei einer Strukturierung mittels Laser kann aufgrund der Hitzewirkung eine Verschmelzung der Einzelschichten miteinander auftreten. Diese Verschmelzungen führen an den Schnittkanten zu Kurzschlüssen oder Parallelwiderständen zwischen der Front- und Rückkontaktschicht. Weiterhin ist es bekannt, eine Serienverschaltung von Solarzellen auf einfache Weise vorzunehmen, indem die Zellen einschließlich des Substrates getrennt werden und anschließend ein erneutes Verbinden der Frontkontakte mit den Rückkontakten der Folgezelle durch überlappendes Ankleben mit leitfähigem Kleber oder Löten erfolgt. Bei dieser Strukturierung muss das Substrat jedoch leitfähig sein. Je nach Qualität des Klebers und der Verklebung ergibt sich ein zusätzlicher Widerstand.
Darüber hinaus eignen sich die vorgenannten Verfahren nur bedingt zur Herstellung im kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Verfahren. Insbesondere müssen die einzelnen Schichten vor der Abscheidung der Folgeschicht strukturiert sein. Bei einer Unterbrechung der Abscheidefolge besteht jedoch die Gefahr, dass die Einzelschichten an der Oberfläche mit der Umgebungsluft reagieren.
Ein weiteres Verfahren zur Strukturierung von verschalteten Solarzellen, insbesondere seriell verschalteten Dünnschichtsolarmodulen, offenbart die DE 196 51 655 C2, bei der vorgesehen ist, dass zumindest die jeweils ersten Halbleiterschichten benachbarter Zellen in ihren angrenzenden Bereichen in einen gemeinsamen Abschnitt übergehen, der aus den ersten Halbleiterschichten umgewandelten isolierenden Materials besteht.
Eine derartige Ausgestaltung und insbesondere das Verschalten auf diese Weise eignen sich jedoch nicht für ein kontinuierliches oder quasi-kontinuierliches Herstellungsverfahren . Kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von Solarzellen sind aus den US-Patenten US-PS 4,677,738 Bl sowie US-PS 6,258,408 Bl bekannt.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von integriert verschalteten Solarzellenmodulen bereitzustellen, das die elektrischen Nachteile der bisherigen Methoden vermeidet und gleichzeitig ein einfaches Herstellungsverfahren bereitstellt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem in der Abscheidekammer das Substrat auf eine in Richtung einer Abscheideeinrichtung gewölbte Auflagefläche aufgebracht wird, wobei das Substrat unter mechanischer Vorspannung steht oder entsprechend der Auflagefläche gewölbt ist und eine Strukturierung der aufgebrachten Schicht mittels gespannter Drähte erfolgt, die mit einer definierten Kraft gegen das auf die gewölbte Auflagefläche aufgebrachte Substrat anliegen und die bereits aufgebrachten Materialschichten oder das Substrat abschatten und so die aufzubringende Materialschicht strukturieren.
Bei dem Substrat handelt es sich z. B. um ein flexibles Substrat, das gegen eine gekrümmte Ebene, die in Richtung einer Abscheideeinrichtung gekrümmt ist, anliegt. Gegen diese gekrümmte Auflagefläche zwischen Substrat und
Abscheideeinrichtung liegen gleichzeitig die Drähte an, wobei über die gespannten Drähte, die mit der gewölbten Auflagefläche in Kontakt stehen, eine definierte Kraft auf das Substrat aufgebracht werden kann und gleichzeitig eine sichere Auflage über einen vorgegebenen
Strukturierungsbereich, gegeben ist. Die gewölbte Fläche ist dabei vorzugsweise zu einer Mittelachse symmetrisch gestaltet und ist insbesondere im Abscheidebereich angeordnet. Alternativ kann das Substrat auch bereits gemäß der Wölbung der Auflagefläche vorgewölbt sein. In diesem Fall können z. B. auch Metallsubstrate eingesetzt werden.
Durch die bogenförmige Auflage der Substratfolie und die damit definierbare Krafteinstellung und Führung der Drähte, mit der diese auf die Auflagefläche aufliegen, wird eine Strukturierung durch Abschattung bei der Beschichtung der darunter liegenden Schicht erreicht. Es kann auf diese Weise vermieden werden, dass Material unter die Drähte gelangt. Durch die Drähte erfolgt beim Aufbringen der Schicht eine Abschattung der darunter liegenden Materialbahn bzw. des darunter liegenden Substrates. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass kein zusätzlicher separater Strukturierungsschritt vorgesehen werden muss. Die Strukturierung erfolgt zeitgleich mit der Abscheidung in einem Prozess. Die Schichten erfahren nach deren Abscheidung weder mechanische noch thermische Einwirkungen bzw. Belastungen. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher, stationärer, aber auch ein quasi-kontinuierlicher Prozess ermöglicht werden, der eine kostengünstige Produktion von Solarmodulen auf kostensparenden, leichten und flexiblen Substraten ermöglicht.
Die Drähte können dabei in Wölbungsrichtung verlaufen, wobei dies insbesondere bevorzugt ist. Bei stationären Verfahren können die Drähte jedoch auch jede beliebig andere Richtung haben, die zwischen 0° und 90° zur Wölbungsrichtung liegt.
Durch den Wegfall der nachträglichen, mechanischen und thermischen Behandlung erhält eine entsprechende Solarzelle gute elektrische, optische und mechanische Eigenschaften. Parallelwiderstände zwischen Front- und Rückkontakt können nicht entstehen. Der Entstehung von Querwiderständen zwischen den Rückkontakten der Einzelzellen wirken die Reibungskräfte der Abschattungsdrähte auf dem Substrat entgegen. Insbesondere kann die Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) -Methode zur Abscheidung der Schichten verwendet werden.
Das Verfahren kann stationär, aber auch kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich betrieben werden. Dabei ist bei der kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Betriebsweise die Bewegungsrichtung des Substrats zugleich die Zugrichtung der gespannten Drähte. Hierdurch richten sich die Drähte automatisch in der gewünschten Weise aus.
Ein kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Prozess bietet auch den Vorteil, dass durch die kontinuierliche Bewegung des Substrats durch die Abscheidekammer nur noch eindimensionale Schichtunterschiede auftreten. Diese können sich lediglich über die Breite, also quer zur Zugrichtung, ergeben. In Zugrichtung treten bei konstanten Abscheideparametern keine Schichtunterschiede auf.
Auf die vorstehend beschriebene Weise ist eine Herstellung von integriert verschalteten Dünnschichtzellen auf einem Substrat möglich. Zeitlich auf die Aufwachsphase der Dünnschicht folgende Strukturierungsschritte können entfallen. Die Breite der möglichen herzustellenden Solarzellen hängt von der Breite der Beschichtungsanlage ab. Die Länge der möglichen zu beschichtenden Substrate ist nicht durch die Anlage beschränkt. Die Abscheidekammern können dabei an die aufzubringende Schicht hinsichtlich ihrer Dimensionen angepasst werden.
Nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Draht über eine Spanneinrichtung geführt wird und insbesondere bei der kontinuierlichen Verfahrensführung in oder gegen die Bewegungsrichtung des Substrates bewegt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Bedeckung der Drähte mit dem abgeschiedenen Material, die in der Abscheidezone auftritt, die Verwendbarkeit des Drahtes nicht beschränkt. Sofern die Drähte gegen die Substratbewegung abgewickelt werden, so steht permanenter Neudraht auf der abzuscheidenden Schicht zur Verfügung. Der Draht kann dabei im Anschluss mechanisch oder chemisch beispielsweise in einem Ätzbad oder über Plasmareinigung zur Wiederverwertung aufbereitet werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Substrat über Rollenführungen geführt und gespannt wird. Über derartige Rollenführungen kann besonders einfach eine gute Umlenkung und gleichzeitig Spannung eines flexiblen Materials erfolgen. Darüber hinaus sind derartige Verfahren grundsätzlich im Stand der Technik bekannt, wobei eine Auf- und Abwicklung des anfänglichen Substrats und des fertig beschichteten Substrats bei kontinuierlicher Verfahrensführung auf Wickelwalzen erfolgen kann.
Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der Draht über eine entsprechende Rollenführung gespannt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Abscheidekammern nacheinander angeordnet sind, wobei das Substrat die Abscheidekammern nacheinander durchläuft und in jeder Abscheidekammer eine Schicht auf das Substrat bzw. auf eine darunter liegende Schicht abgeschieden wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass alle oder lediglich eine der weiteren Abscheidekammern mit einer entsprechenden Strukturierungseinrichtung versehen sind. Derartige Inlineprozesse sind dabei besonders günstig in der Herstellung .
Die Einzelschichten können dabei unmittelbar bei der Erzeugung strukturiert werden und in einem Inlineprozess übereinander abgeschieden werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abschattungsdrähte in den einzelnen Kammern versetzt zu den bereits erzeugten Abschattungslinien angeordnet sind, um eine Serienverschaltung zu ermöglichen. Dabei erfolgt der Versatz stets in dieselbe Richtung.
Als Substrat kann insbesondere eine Folie sowie ein Textilmaterial eingesetzt werden.
Als Draht können Metalldrähte, aber auch sonstige Kunststoffoder Textilfasern, Kohlefasern etc. eingesetzt werden, wobei solche Materialien besonders bevorzugt sind, auf denen die abzuscheidenden Materialien nicht anhaften.
Bei den abzuscheidenden Schichten handelt es sich insbesondere um eine Front- sowie eine Rückkontaktschicht sowie eine dazwischen liegende aktive Schicht, die insbesondere aus einer n-Schicht, eine i-Schicht und einer p- Schicht gebildet sein kann.
Es können auch sogenannte Stapelzellen, also Tandem- oder Triplezellen erzeugt werden.
Die aktive Schicht kann aus Silizium, aber auch Cadmiumtellurid, CIS, CIGS etc. bestehen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorstehenden Art, umfassend mindestens eine Abscheidekammer, wobei in der Abscheidekammer eine Beschichtungseinrichtung angeordnet ist sowie eine Strukturierungseinheit umfassend mindestens Draht zur Strukturierung einer auf einem Substrat in der Abscheidekammer abzuscheidenen Materialschicht, wobei in der Abscheidekammer eine in Richtung auf die
Beschichtungseinrichtung gewölbte Auflagefläche vorgesehen ist und wobei das Substrat ein unter mechanischer Vorspannung stehendes flexibles oder entsprechend der Auflagefläche gewölbtes Substrat ist, und das Substrat auf die Auflagefläche auflegbar ist und der Draht mit definierter Kraft unter einem Winkel von > 0° und < 90° zu einer Wölbungsrichtung der Auflagefläche gegen das Substrat anlegbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Dabei zeigt die Zeichnung in
Figur 1 eine Schichtfolge zweier integriert verschalteter Dünnschichtsolarzellen;
Figur 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und
Figur 3 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von flexiblen Dünnschichtsolarmodulen .
Figur 1 zeigt einen Aufbau einer integriert verschalteten Solarzelle umfassend einen im Wesentlichen vierschichtigen Aufbau. Basis der Solarzelle ist hierbei eine flexible Substratschicht 1, die beispielsweise aus einem Folien- oder Textilmaterial gebildet sein kann. Auf dieser Substratschicht wird zunächst eine sogenannte Rückkontaktschicht abgeschieden, die vorzugsweise dreilagig ist und wobei die Schichtenfolge Chrom/Alu/Zinkoxid sein kann. Statt des Zinkoxids kann auch Zinnoxid oder ITO eingesetzt werden. Die Rückkontaktschicht muss dabei so ausgebildet sein, dass sie nicht durchlaufend auf das Substrat aufgebracht ist, sondern dass die Rückkontaktschichten 2a und 2b der verschiedenen Solarzellen 10a und 10b, die miteinander verschaltet werden sollen, voneinander separiert sind. Hierzu erfolgt, wie nachfolgend beschrieben werden soll, in der vorliegenden Erfindung eine Abschattung mittels Drähten und somit eine Beschichtung in quer zur Transportrichtung separaten Abschnitten. Auf diese Rückkontaktschicht 2a, 2b wird nun eine aktive Schicht aufgebracht, die insbesondere aus Silizium gebildet sein kann, und p-n-Schichten sowie gegebenenfalls Isolierschichten umfasst. Die einzelnen Schichten können dabei auch separat aufgebracht werden.
Die aktive Schicht 3a bzw. 3b der verschiedenen Solarzellenmodule muss dabei ebenfalls voneinander separiert sein. Darüber hinaus darf die aktive Schicht 3a und 3b nicht die gesamte Rückkontaktschicht überdecken. In dem Bereich, in dem die Rückkontaktschicht 2b der Rückkontaktschicht 2a zugewandt ist, um später eine Kontaktierung mittels eines Frontkontaktes 4a zu ermöglichen, muss diese durch die aktive Schicht 3b unbedeckt sein. Als letzte Schicht wird die Frontkontaktschicht 4a aufgebracht, die den Abstand zwischen den Zellen, der durch die Strukturierung zwischen den Rückkontakten aber auch den aktiven Schichten gebildet wird, überbrückt und eine Überlappung mit der Rückkontaktschicht 2b der nächsten Zelle herstellt, um eine serielle Verschaltung der Solarzellen 10a und 10b zu ermöglichen. Die Frontkontaktschicht 4 ist dabei transparent und besteht vorzugsweise aus Zinkoxid (ZnO), Zinndioxid (SnÜ2) bzw. ITO.
Dabei ist es wichtig, dass die Strukturierung der Rückkontaktschicht 2 vor der Abscheidung der aktiven Schicht 3 erfolgen muss, da die aktive Schicht 3 gleichzeitig zur Separierung und Isolierung des Rückkontaktes 2a vom Frontkontakt 4a dient, wobei sich hierzu die aktive Schicht 3 im Bereich 3i bis zum Substrat 1 erstreckt, um eine allseitige Isolierung der beiden Kontaktschichten 2, 4 gegeneinander zu erreichen.
Figur 2 zeigt nun ein entsprechendes Verfahren in einem sogenannten Roll-to-Roll-Prozess . Hierbei wird das flexible Substrat 1 auf einer Abwickelrolle IIa, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, bereitgestellt und von dieser Abwickelwalze IIa in eine erste Abscheidekämmer 12a eingeführt. Diese erste Kammer, die in Figur 2 vergrößert dargestellt ist, dient der Abscheidung der Rückkontaktschicht 2. Das Substrat 1 wird dabei über Walzen 13a und 13b vorgespannt und über eine konvex in Richtung auf eine Abscheideeinrichtung 14a gewölbte Auflagefläche 15a gespannt und geführt. Im Bereich einer Abscheidezone lβa, die durch den Bereich der Elektrode zum Abscheiden von Schichtmaterial begrenzt wird, wird Schichtmaterial für die Rückschicht 2 auf das Substrat 1 aufgebracht. Um nun die in Figur 1 bereits gezeigte erforderliche Strukturierung der Rückschicht vorzunehmen, ist vorgesehen, parallel zur Transportrichtung des Substrates 1, die mit dem Pfeil 17 gekennzeichnet ist, eine Drahtführung 18a vorzusehen, mittels derer parallel gespannte Drähte, die in Transportrichtung 17 verlaufen, mit definierter Kraft auf die Folie des Substrates 1 aufgedrückt werden und so eine Abschattung unterhalb des Drahtes erfolgt, so dass kein abzuscheidendes Schichtmaterial der Rückschicht in diesem Bereich auf das Substrat 1 aufgebracht wird. Dabei sind entsprechend der Anzahl der vorzusehenden quer zur Transportrichtung 17 verlaufenden Solarzellen 10 eine entsprechende Anzahl Drähte 21 vorzusehen, die die Abschattung vornehmen und so die Rückkontaktschichten 2 der einzelnen Solarzellen 10 voneinander separieren.
Dabei ist vorgesehen, dass zur Spannung des Drahtes 21 ebenfalls Rollen 19 vorgesehen sind, die eine Umlenkung und Spannung des Drahtes 21 sowie eine Aufwicklung desselben vornehmen, da der Draht entgegen der Transportrichtung 17 in die Richtung des Pfeiles 20 transportiert wird, um stets in der Abscheidezone frischen Draht 21 bereitzustellen, auf dem noch keine Materialablagerungen durch das Aufbringen von Material auf das Substrat 1 vorliegen. Sobald der Draht 21 verbraucht ist, kann neuer Draht 21 vorgesehen und der alte Draht 21 der Reinigung und Wiederverwertung zugeführt werden.
Figur 3 zeigt nun einen vollständigen Prozess zur Beschichtung eines Substrats 1, das von einer Abwickelrolle IIa bereitgestellt wird und insgesamt fünf Kammern 12a bis 12e durchläuft und danach auf einer Aufwickelwalze IIb wiederum aufgewickelt wird. Auf der Aufwickelwalze IIb liegen dann vollständig seriell miteinander integriert verschaltete Solarzellen 10 vor. Dabei wird innerhalb jeder Abscheidekammer 12a bis 12e das Substrat 1 über Rollen 13a, die vor der Abscheidezone angeordnet ist, sowie 13b, die nach der Abscheidezone angeordnet ist, gespannt und geführt. Weitere Rollen 13c können zur Umlenkung zwischen den einzelnen Kammern vorgesehen sein. Der gesamte Prozess ist dabei ein geschlossener Prozess, der unter Ausschluss von Umgebungsluft stattfindet.
In jeder der Abscheidekammern 12a bis 12e ist nun eine Abscheideeinrichtung 14a bis 14e vorgesehen, wobei in der ersten Abscheidekammer 12a eine Rückkontaktschicht in der zweiten Abscheidekammer eine n-Schicht, in der dritten Kammer eine i-Schicht und in der vierten Kammer eine p-Schicht aufgebracht wird. Die fünfte Kammer dient zur Aufbringung der Frontkontaktschicht. In jeder der Kammern 12 ist darüber hinaus eine Strukturierung vorgesehen. Dabei müssen die Abschattungsdrähte 21 jeweils nach der Abscheidung des Rückkontaktes 2 im Vergleich zu denen, die nach der Abscheidung der Halbleiterschichten 3 vorgesehen sind, versetzt angeordnet werden, um so zum einen die Isolierung der Rückkontaktschicht 2 mittels der aktiven Schichten 3 gegenüber der Frontkontaktschicht 4 sicherzustellen und nach dem Aufbringen der Frontkontaktschicht 4 zu gewährleisten, dass kein Kontakt der Frontkontaktschicht 4a einer Solarzelle 10a mit der Frontkontaktschicht 4b der nächsten Solarzelle 10b besteht. Lediglich die Abschattungsdrähte 21 beim Aufbringen der drei die aktive Schicht bildenden Schichten in den Abscheidekammern 12b bis 12d verlaufen im Wesentlichen ohne Versatz zueinander. Es kann jedoch auch hier ein geringfügiger Versatz zueinander vorgesehen sein. Dabei erfolgt der Versatz zwischen den einzelnen Abscheidekammern 12 jeweils in dieselbe Richtung, da so die Serienverschaltung erreicht wird. Über die symmetrisch gewölbte Auflagefläche 15a, die in Richtung der Abscheideeinrichtung gewölbt ist, wird erreicht, dass die Drähte, die der Strukturierung dienen, sich in gewünschter Weise ausrichten, wobei über die Gleitreibung zwischen dem Substrat 1 und der gewölbten Fläche 15 die Ausrichtung begünstigt wird und Querwiderstände zwischen den Rückkontaktschichten 2 vermieden werden.
Auf die vorstehend beschriebene Weise kann besonders einfach und kostengünstig ein sogenannter Roll-to-Roll-Prozess aber auch ein diskontinuierliches Verfahren bereitgestellt werden, mit dem integriert verschaltete Dünnschichtsolarzellen hergestellt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von seriell verschalteten Solarzellen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst :
Einbringen eines Substrates in mindestens eine Abscheidekämmer,
Abscheiden von mindestens einer Materialschicht auf das Substrat oder eine bereits aufgebrachte Materialschicht in der Abscheidekämmer,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Abscheidekämmer das Substrat auf eine in Richtung einer Abscheideeinrichtung gewölbte Auflagefläche aufgebracht wird, wobei das Substrat flexibel ist und unter mechanischer Vorspannung steht oder entsprechend der Auflagefläche gewölbt ist und
eine Strukturierung der aufgebrachten Schicht mittels mindestens eines gespannten Drahtes erfolgt, der mit einer definierten Kraft gegen das auf die gewölbte Auflagefläche aufgebrachte Substrat anliegt und die aufgebrachte Materialschicht oder das Substrat gegenüber der Abscheideeinrichtung abschattet und so die aufzubringende Materialschicht strukturiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich abläuft .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht über eine Spanneinrichtung geführt wird und insbesondere bei kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Verfahren in oder gegen die Bewegungsrichtung des Substrates bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Draht unter einem Winkel von > 0° und < 90° zu einer Wölbungsrichtung der Auflagefläche verläuft.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat über eine Rollenführung geführt und gespannt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht über eine Rollenführung gespannt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abscheidekammern nacheinander angeordnet sind und in jeder Abscheidekammer eine Schicht abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Folien- oder Textilbahnmaterial gebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Schichten, nämlich eine Rückkontaktschicht, eine aktive Schicht sowie eine Frontkontaktschicht aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht einen oder mehrere ladungstrennende Übergänge, insbesondere pn- bzw. pin- Übergänge beinhaltet .
11. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Abscheidekammer (12), wobei in der Abscheidekammer (12) eine Beschichtungseinrichtung (14) angeordnet ist sowie eine Strukturierungseinheit (18) umfassend mindestens Draht (13) zur Strukturierung einer auf einem Substrat (1) in der Abscheidekammer (12) abzuscheidenen Materialschicht (2, 3, 4), wobei in der Abscheidekammer (12) eine in Richtung auf die Beschichtungseinrichtung (14) gewölbte Auflagefläche
(15) vorgesehen ist und wobei das Substrat (1) ein unter mechanischer Vorspannung stehendes flexibles oder entsprechend der Auflagefläche (15) gewölbtes Substrat
(1) ist, und das Substrat (1) auf die Auflagefläche auflegbar ist und der Draht (13) mit definierter Kraft unter einem Winkel von > 0° und < 90° zu einer Wölbungsrichtung der Auflagefläche (15) gegen das Substrat (1) anlegbar ist.
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